Схемы включения измерительных устройств. На эквивалентной схеме внешнюю цепь в первом приближении можно представить в виде некоторого сопротивления ZBX (рис. 4.2), являющегося входным (по отношению к объекту) сопротивлением установки.
Упрощенная схема замещения справедлива, если изоляцию объекта можно представить в виде сосредоточенной емкости. Для оборудования, имеющего обмотки, такое приближение может быть принято лишь в том случае, когда дефект изоляции, в котором происходят разряды, находится вблизи от ввода высокого напряжения. В дальнейшем будем исходить из приведенной схемы замещения изоляции объекта. Более подробно процессы в силовом трансформаторе будут рассмотрены далее.
Частичный разряд, создающий скачок напряжения Δ V на объекте, вызывает появление во внешних цепях тока переходного процесса.
Весь ток переходного процесса, замыкаясь по параллельным цепям реальной схемы установки, в общем случае не может быть измерен в одной точке. Поэтому ток, протекающий в ветви с измерительным устройством, равен ικ = γκ ι0, где γκ - коэффициент передачи схемы (рассматриваются модули токов).
Основными схемами включения устройств для измерения ЧР являются схемы последовательного и параллельного включения, а также балансная схема.
В схеме последовательного включения (рис. 4.3, а) измерительное устройство находится в ветви заземления низкопотенциального электрода контролируемого объекта Сх. Соединительный конденсатор Сс предназначен для уменьшения сопротивления токам, возникающим при ЧР в изоляции объекта. Для обеспечения достаточной чувствительности схемы желательно, чтобы емкость соединительного конденсатора была не меньше емкости объекта.
Рис. 4.2. Схема замещения установки высокого напряжения при частичных разрядах
Рис. 4.3. Основные схемы включения измерительных устройств:
1 - измерительное устройство; 2— шина высокого напряжения РУ
Когда цепь заземления низкопотенциального электрода объекта недоступна, применяется параллельная схема; измерительное устройство включается в ветвь заземления соединительного конденсатора (рис. 4.3, б). Если при этом емкость Сс конденсатора будет значительно превышать входную емкость остальных элементов установки, то чувствительность схемы останется практически такой же, как и чувствительность схемы последовательного включения.
Балансная схема (рис. 4.3, в) является наиболее помехозащищенной, так как ее чувствительность при импульсах во внешней цепи (цепи питания) много ниже, чем чувствительность при импульсах, вызываемых ЧР в объекте. К числу балансных относится и схема с компенсацией помех. В качестве соединительного конденсатора (называемого при этом балансным), как правило, применяют объект, аналогичный испытываемому, или конденсатор такой же емкости.
Основной схемой измерений в условиях эксплуатации является схема последовательного включения, когда измеряется ток в заземлении контролируемого объекта. Соединительной емкостью при этом является емкость на землю остальных элементов установки. Коэффициент передачи тока переходного процесса ук при этом имеет наибольшее значение, т. е. обеспечивается максимальная чувствительность к импульсам ЧР.
Если невозможно собрать схему с последовательным включением измерительного устройства, применяют параллельную схему с соединительным конденсатором; в качестве емкости Сс используется емкость изоляции любого соседнего аппарата. Так, при измерении ЧР в изоляции силовых трансформаторов измерительное устройство включают в ветвь заземления низкопотенциальной обкладки ввода, используя его емкость в качестве соединительной. В такой схеме через измерительное устройство протекает лишь часть тока, вызванного ЧР в объекте; другая часть этого тока замыкается по параллельным цепям, что существенно уменьшает значение коэффициента ук. За счет этого снижается реальная чувствительность метода измерений.
Рис. 4.4. Структурная схема измерительного устройства
Балансная схема измерения в условиях эксплуатации применяется редко. Используется близкая к ней схема с компенсацией помех. При эксплуатационных измерениях по схеме рис. 4.3, в обычно входное сопротивление установки, например шин РУ, значительно меньше сопротивления соединительного (балансного) конденсатора. Поэтому ток, вызванный ЧР, в основном протекает лишь по ветви измерительного устройства, связанной с объектом. Источники же помех создают на шинах РУ напряжение, которое вызывает примерно равные токи помех в ветвях объекта и соединительного конденсатора. Используя это, можно скомпенсировать на входе измерительного устройства ток помех, протекающий через объект.
Измерительные устройства.
Устройство для измерения ЧР (рис. 4.4) в общем случае состоит из первичного измерительного преобразователя (измерительного элемента) 1 и измерительного прибора 2.
Измерительный элемент zд преобразует вызванные ЧР импульсы тока в контролируемой цепи в импульсы напряжения, подаваемые на вход измерительного прибора.
В дальнейшем все приспособление для связи измерительного устройства с контролируемым объектом будем называть датчиком. При этом в состав датчика входят как собственно измерительный элемент, так и элементы устройства присоединения, обеспечивающие безопасность (защитные разрядники, разделительные конденсаторы) и изменение схемы измерений (переключение по фазам измеряемого объекта и т. п.).
Измерительные устройства по способу применения могут быть разделены на две основные группы: устройства для непосредственного включения в испытательную схему и устройства, не требующие для своего включения разрыва цепей испытательной схемы.
Различают узкополосные и широкополосные измерительные устройства. В широкополосных устройствах верхняя граничная частота полосы пропускания f2 много больше, нижней граничной частоты /,. В узкополосных устройствах ширина полосы пропускания Δ f = f2 - f1 много меньше средней частоты настройки f0 = 0,5 (f1 + f2). Соответственно применяются широкополосные и узкополосные датчики.
В качестве измерительного элемента датчика, как правило, применяют резистор (резистивный датчик) или катушку индуктивности (индуктивный датчик). Датчики, обеспечивающие емкостную связь с объектом, имеют ограниченную область применения. Резистивные датчики - широкополосные. Полоса частот пропускания индуктивного датчика определяется его нагрузкой.
Выполнение индуктивного датчика в виде высокочастотного трансформатора тока обеспечивает возможность бесконтактного съема информации, при помощи электромагнитной связи катушки датчика с проводом заземления объекта, по которому протекают импульсы тока, вызванные ЧР. Часто такой датчик выполняется в виде колебательного контура; выходной сигнал его представляет собой процесс собственных (резонансных) затухающих колебаний контура датчика, возбужденного импульсом измеряемого тока. Такой датчик является узкополосным.
В измерительном приборе производятся преобразование полученных на выходе датчиков импульсов и измерение их параметров. Основными узлами измерительного прибора (рис. 4.4) являются регулятор чувствительности 3, фильтр 4, усилитель 5 и измеритель 6.
Функции регулятора чувствительности и усилителя очевидны. Основное назначение фильтра - подавление напряжения промышленной (испытательной) частоты и его высших гармоник. Для этого применяется фильтр высших частот. Часто фильтр используется для формирования полосы частот пропускания измерительного устройства; в этом случае применяется полосовой фильтр. В некоторых приборах фильтры не применяются, а обе функции - подавление низкочастотных напряжений и формирование полосы - выполняют другие элементы (датчик, усилитель). Назначением измерителя является выдача информации об основных характеристиках последовательности импульсов, возникающих при ЧР.
В большинстве случаев при эксплуатационном контроле ширина полосы частот пропускания прибора уже, чем спектр импульса ЧР. При этом амплитуда выходного напряжения усилителя будет пропорциональна заряду импульса тока на входе датчика. Следовательно, в приборе для измерения кажущегося заряда ЧР необходим измеритель амплитудных значений - пиковый (квазипиковый) вольтметр, осциллограф и т. п.
Если кроме амплитудного измерителя прибор будет иметь измеритель количества или средней частоты следования импульсов данной амплитуды, то по их показаниям может быть подсчитан и средний ток ЧР. Для определения среднего тока ЧР применяются также измерители средних значений. Наличие амплитудного дискриминатора позволяет получить распределение импульсов по амплитудам, что существенно увеличивает объем информации о контролируемых процессах разрядов.
Полоса частот пропускания измерительного устройства должна быть согласована с частотным спектром сигнала датчика.
Наиболее целесообразным представляется энергетический подход к определению полосы частот. При таком подходе измерение должно производиться при полосе частот устройства, в которой заключена подавляющая часть энергии сигнала (в рассматриваемом случае импульса напряжения на выходе датчика).
Для датчика с резистивным измерительным элементом 90 % энергии импульса находится в полосе, ограничиваемой сверху частотой f1 = 0,98 а, где а — величина, обратная постоянной времени цепи датчика. Для датчика с колебательным контуром 90 % энергии импульса находится в полосе частот Δ f = 2 πf0 / QK, где f0 — частота настройки, a QK - добротность контура.
Длительность импульса на выходе усилителя определяется шириной полосы пропускания измерительного устройства Δ f или f2 — f1 (с учетом испытательной схемы, если полоса частот прибора не согласована с постоянной времени схемы). Импульс практически затухает через время тизм » 1/Δ f, где тиэм — время реакции измерительного устройства. Поэтому каждому импульсу частичного разряда будет соответствовать импульс на выходе усилителя лишь в случае, если Δ f > F, где F — частота следования импульсов. Это определяет разрешающую способность измерительного устройства.
Если за период времени, равный продолжительности реакции устройства, на входе датчика будут действовать несколько импульсов, то их энергия суммируется и на выходе появится один эквивалентный импульс. При этом не только будет утеряна такая характеристика, как количество разрядов (или их средняя частота следования), но и будут искажены данные о заряде импульсов, ибо на выходе усилителя амплитуда импульсов будет иметь случайное значение, зависящее не только от заряда, но и от интервала между импульсами.
Устройства, применяемые для эксплуатационного контроля оборудования, называются индикаторами частичных разрядов (ИЧР). Разработаны также модификации ИЧР для автоматического непрерывного контроля - сигнализаторы частичных разрядов (СЧР). Сигнализатор снабжен дополнительно логическим и релейным устройствами, функциями которых являются обнаружение недопустимого увеличения интенсивности измеряемых ЧР и формирование сигнала о наличии повреждения изоляции. В ряде устройств СЧР предусматривается также блокировка от неправильного действия при помехах.
Градуировка измерительных устройств.
Целью градуировки измерительного устройства является установление количественных соотношений между показаниями измерительного прибора и соответствующими количественными характеристиками ЧР.
Градуировка измерительного устройства должна производиться в тех же условиях, в которых будет производиться измерение характеристик ЧР, т. е. в полностью собранной схеме испытательной установки. При невозможности градуировки при рабочем напряжении схема, в которой производится градуировка приборов, должна бы η максимально приближена к реальной.
Градуировка измерительного устройства в схеме измерений (далее сокращенно градуировка схемы измерений) в условиях эксплуатации производится, как правило, лишь для одной измеряемой величины - кажущегося заряда импульса ЧР. Элементы измерительного устройства, обеспечивающие получение остальных характеристик ЧР (измерители среднего тока разрядов, количества импульсов и т. п., а также регуляторы чувствительности), должны градуироваться общепринятыми методами в процессе их изготовления или перед производством измерений.
Возможны два способа градуировки - от внешнего или от внутреннего источника градуировочных импульсов тока. В первом случае источником энергии градуировочных импульсов является внешний генератор, питаемый от сети или автономных источников (батареи и т. п.). Во втором случае градуировочный импульс формируется за счет рабочего напряжения на объекте. При этом для создания градуировочного импульса производится малое нормированное изменение параметров объекта (или его части), эквивалентное ЧР в его изоляции. Первым способом производится градуировка при отключенном от сети объекте. Второй способ градуировки применяется на объектах, находящихся в рабочей схеме, под напряжением.
Градуировочным импульсом называется достаточно короткий импульс тока с известным зарядом. Для того чтобы этот импульс с необходимой точностью имитировал импульс ЧР, переходный процесс в схеме при градуировке не должен отличаться от переходного процесса при разрядах в изоляции объекта.
Предельное значение частоты следования градуировочных импульсов определяется разрешающей способностью измерительной схемы, т. е. ее полосой частот пропускания. Импульсы градуировки будут восприниматься измерительным устройством как одиночные при условии, что частота их следования Fr будет существенно меньше полосы пропускания Δ f. Обычно для узкополосного устройства принимают Fr < 0,3 Δ f, для широкополосного Fr < 0,3 f2, где f2 - верхняя граница полосы частот. Рекомендуемая частота следования градуировочных импульсов 100 импульсов в секунду.
Градуировочный импульс тока получают, подавая на объект через градуировочный конденсатор импульс напряжения с достаточно крутым фронтом. Заряд градуировочного импульса qr = CTUT, где Сг - емкость градуировочного конденсатора; Ur - напряжение генератора градуировочного напряжения. Емкость Сг должна быть намного меньше емкости объекта, чтобы не изменить параметров схемы измерений.
Рис. 4.5. Схемы градуировки измерительного устройства:
1 — измерительное устройство; 2 — градуировочное устройство
Основной схемой градуировки является параллельная; градуировочное устройство в этом случае подключается параллельно объекту (рис. 4.5, а). Для этой схемы градуировки необходимо градуировочное устройство с симметричным выходом, изолированным от земли. Обычно такое устройство трудно выполнить.
Возможно применение эквивалентной градуировки [14], заключающейся в поочередном приложении градуировочных импульсов к каждому из выводов объекта (рис. 4.5, б) с последующим расчетом градуировочного коэффициента.
В последовательной схеме (рис. 4.5, в, г) создается малое нормированное изменение напряжения в цепи объекта, эквивалентное импульсу напряжения при ЧР. В качестве градуировочной емкости используется емкость объекта. Для этой схемы также требуется симметричный генератор градуировочного напряжения.
При градуировке от внешнего источника применяют любой соответствующий генератор импульсов напряжения. Если в качестве такого генератора используется генератор прямоугольных импульсов, то разрешающая способность схемы измерений накладывает ограничения на длительность этих импульсов, так как задний фронт прямоугольного импульса напряжения также формирует в градуировочной цепи импульс тока. Поэтому длительность прямоугольного импульса напряжения должна существенно превышать время реакции измерительной схемы (ее разрешающую способность).
Для градуировки от внутреннего источника последовательно с емкостью объекта включают небольшое сопротивление (рис. 4.5, г), шунтированное быстродействующим коммутатором (реле, динистором, тиристором). При разомкнутых контактах коммутатора ток через изоляцию объекта создает на сопротивлении Zr падение напряжения. При замыкании контактов это напряжение и становится источником градуировочного импульса тока в цепи объекта.
При градуировке схемы измерения ЧР в силовом трансформаторе (автотрансформаторе) сопротивление Zr включается в заземление низкопотенциального вывода ввода ВН (СН) и образуется схема параллельной градуировки, в которой роль градуировочной емкости играет емкость ввода. Поскольку при этом не выполняется условие Сг < Сх, то в создании градуировочного импульса участвует не весь заряд емкости ввода. Учитываемый заряд градуировочного импульса qT = кс Сх UT, где Сх - емкость изоляции ввода, а кс = Свх / (Сх + Свх) - коэффициент деления напряжения импульса между вводом и входной емкостью трансформатора Свх. Обычно коэффициент кс определяется путем сравнения результатов градуировки через ввод и градуировки от внешнего источника.
Основной величиной, определяемой градуировкой, является градуировочный коэффициент. Кроме того, по результатам градуировки могут быть вычислены коэффициенты передачи схемы и затухания импульса.
Градуировочный коэффициент измерительного устройства, включенного в испытательную схему, Ксх (в дальнейшем для краткости градуировочный коэффициент схемы измерений) определяется как отношение заряда градуировочного импульса qT, приложенного между выводами объекта, к показанию измерительного устройства, вызванному этим импульсом:
(4.2)
Градуировочный коэффициент собственно измерительного устройства Кдат определяется как отношение заряда градуировочного импульса, приложенного на входе датчика, к соответствующим показаниям измерительного устройства. Следовательно, коэффициент передачи импульса в схеме равен
(4.3)
Коэффициент затухания импульса внутри объекта, например в обмотке трансформатора, может быть определен как отношение показаний измерительного устройства, полученных при приложении одинаковых градуировочных импульсов к соответствующим выводам объекта.
При эквивалентной градуировке к выводам объекта поочередно прикладываются градуировочные импульсы такого значения, при котором будут получены одинаковые показания измерительном устройства.
Для перевода результатов измерений, выраженных в децибелах, в значения кажущегося заряда по величине q*, находят соответствующий ей множитель Кр, который умножают на величину q0, выраженную в кулонах. С достаточной для эксплуатационных измерений точностью можно принять
Значения q* складываются, а К умножаются. Например, значению qp = 28 дБ (20 дБ + 8 дБ)
